半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、能耗小、易調(diào)制、可以批量化生產(chǎn)等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、信息通信、醫(yī)療、生命科學(xué)和軍事等領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率的不斷提高，很大一部分電功率轉(zhuǎn)換成了熱功率。而半導(dǎo)體激光器的光學(xué)特性、輸出功率以及可靠性等都與器件的工作溫度有著密切的關(guān)系。因此，散熱問(wèn)題成了直接影響半導(dǎo)體激光器，特別是大功率半導(dǎo)體激光器性能的關(guān)鍵因素。

圖源：炬光科技

1.半導(dǎo)體激光器散熱原理

半導(dǎo)體激光器散熱封裝方式主要有自然對(duì)流熱沉冷卻、微通道、熱電制冷和噴霧冷卻、熱管散熱等形式。其中，對(duì)于單管半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō)，自然對(duì)流熱沉冷卻方式易于加工和組裝，是最經(jīng)濟(jì)、常用的冷卻方式。一般采用高熱導(dǎo)率材料做熱沉，擴(kuò)大自然對(duì)流散熱面積來(lái)增加散熱量，降低激光芯片的溫度。為使激光器芯片發(fā)光的有源區(qū)更貼近熱沉，減少熱量傳輸路徑便于熱量更快地傳輸出去，現(xiàn)在普遍采用芯片朝下的倒裝封裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)銦或者金錫等焊料把半導(dǎo)體激光器芯片粘貼到熱沉上。

圖 半導(dǎo)體激光器熱沉傳導(dǎo)散熱示意

半導(dǎo)體激光器熱量絕大部分產(chǎn)生在芯片的有源區(qū)，通過(guò)焊料層、絕緣層、界面層傳導(dǎo)至過(guò)渡熱沉和常規(guī)熱沉，常規(guī)熱沉與冷卻介質(zhì)接觸形成對(duì)流換熱，將熱量散出。

通過(guò)熱沉材料將半導(dǎo)體激光器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，是降低半導(dǎo)體激光器工作溫度，保證半導(dǎo)體激光器的性能和可靠性的有效方法。熱沉材料的選擇主要考慮兩個(gè)方面：

①材料要具有較高的熱導(dǎo)率，能夠?qū)⒓す馄鞴ぷ鲿r(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去；

②熱沉材料與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)要盡可能匹配，以免激光器芯片因?yàn)闊釕?yīng)力而損壞。

2.半導(dǎo)體激光器熱沉材料

理想的過(guò)渡熱沉材料應(yīng)具有高熱導(dǎo)率，同時(shí)能與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配。銅具有高熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性，在半導(dǎo)體激光器的封裝中常被用作熱沉，但銅的熱膨脹系數(shù)與芯片的熱膨脹系數(shù)相差很大，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響激光器的輸出性能。在芯片和常規(guī)熱沉之間加入高熱導(dǎo)率且膨脹系數(shù)接近芯片熱膨脹系數(shù)的過(guò)渡熱沉，可以有效解決這一問(wèn)題。常用的過(guò)渡熱沉材料有氮化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、碳化硅陶瓷、鎢銅合金、碳化硅晶片、金剛石薄膜片等。

表 各種熱沉材料的性能參數(shù)

圖 各種散熱材料的熱性能，來(lái)源：住友電工

①鎢銅

鎢銅合金是鎢和銅組成既不互溶又不形成金屬間化合物的兩相單體均勻混合的組織，實(shí)際上是一種假合金。鎢銅合金用粉末冶金方法制備而成，既有鎢的低膨脹特性，又具有銅的高導(dǎo)熱特性。其熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱導(dǎo)電性能可以通過(guò)調(diào)整鎢銅的成分而加以改變，同時(shí)又與硅片、砷化鎵及陶瓷材料相匹配的熱膨脹系數(shù)。早期激光器多用鎢銅C-Mount結(jié)構(gòu)，后面進(jìn)化成鎢銅巴條。

圖 激光器鎢銅巴條，來(lái)源：海特信科

②氮化鋁

氮化鋁陶瓷各項(xiàng)性能優(yōu)異，熱導(dǎo)率高，其理論熱導(dǎo)率可達(dá)320W/（m·K），其商用產(chǎn)品熱導(dǎo)率一般為180W/（m·K）~260W/（m·K），氮化鋁陶瓷熱膨脹系數(shù)與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)相差不大，常被用作過(guò)渡熱沉材料。

圖 氮化鋁激光熱沉，來(lái)源：深圳晶瓷

③碳化硅

SiC是一種典型的天然超晶格同質(zhì)多型體，具有良好的物理及化學(xué)性能，其高硬度、高耐磨性僅次于金剛石，其理論導(dǎo)熱率可以達(dá)到490W/(m•K)，是硅的3倍，膨脹系數(shù)低，散熱性能好，非常適合大功率器件，熱穩(wěn)定性高，常壓下不能融化，抗腐蝕性能強(qiáng)，表面易與氧氣發(fā)生氧化生成二氧化硅防止進(jìn)一步氧化等。

④金剛石

為了起到更好的散熱效果，還可采用金剛石作為銅和芯片之間的連接材料，天然金剛石材料的熱導(dǎo)率高達(dá)2000W/(m·K)，約是銅的5倍，且熱膨脹系數(shù)小。因此采用既電絕緣又高導(dǎo)熱的金剛石作為大功率半導(dǎo)體激光器的熱沉是比較理想的。

圖 金剛石銅/鋁，來(lái)源：海特信科

天然金剛石由于成本問(wèn)題無(wú)法應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器封裝，目前金剛石用作熱沉材料主要有兩種形式，即金剛石薄膜（CVD金剛石膜）和將金剛石與銅、鋁等金屬?gòu)?fù)合。但是由于金剛石的切割、表面平整拋光以及金屬化等加工難度較大，限制了其在半導(dǎo)體激光器熱沉方面的大規(guī)模應(yīng)用。

⑤石墨烯

石墨烯是一種新型的單原子層厚度的二維平面碳納米材料，具有優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)特性，單層石墨烯的橫向熱導(dǎo)率可以高達(dá)5300W/(m·K)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳化硅、氮化鋁等熱沉材料，將其應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器熱沉，對(duì)改善器件散熱能力、提高器件性能具有重要的應(yīng)用前景。

資料：

碳化硅過(guò)渡熱沉對(duì)C-mount封裝激光器散熱的影響，吳胤禛,等；

高功率半導(dǎo)體激光器過(guò)渡熱沉封裝技術(shù)研究，馬德?tīng)I(yíng),等；

CVD金剛石熱沉封裝高功率半導(dǎo)體激光器的熱特性，戴瑋,等；

高功率半導(dǎo)體激光器散熱方法綜述，劉瑞科,等.

轉(zhuǎn)自：艾邦陶瓷展

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